導(dǎo)言自90年代以來，中國在城市衛(wèi)生方面取得了顯著進(jìn)步。2017年市政污水處理能力達(dá)到49.2 x109立方米，在城市地區(qū)的覆蓋率達(dá)94.5％。去除營養(yǎng)物（氮和磷）已經(jīng)在國家范圍內(nèi)依法實(shí)施。然而，許多市政污水處理廠面臨能量回收少，營養(yǎng)物去除昂貴，污泥產(chǎn)量高等問題。下水道滲漏造成的中國市政污水獨(dú)特的水質(zhì)特征是市政污水處理廠效率低下的主要原因。最近，中國三部委頒布的題為《城鎮(zhèn)污水處理提質(zhì)增效三年行動方案（2019—2021年）》文件強(qiáng)調(diào)了下水道修復(fù)在城市水環(huán)境衛(wèi)生與生態(tài)關(guān)鍵功能，標(biāo)志著中國城市水環(huán)境保護(hù)戰(zhàn)略的轉(zhuǎn)折點(diǎn)?？紤]到下水道修復(fù)所涉及的繁重任務(wù)，所需的巨大投資和長周期，采取具有成本效益的快速行動以改善中國市政污水處理效率和可持續(xù)性，與下水道修復(fù)應(yīng)該同時進(jìn)行。
方法中國、歐洲、美國和新加坡的污水處理廠能源回收基于使用厭氧消化（ad）和熱電聯(lián)產(chǎn)（chp），而中國相當(dāng)部分廠省略初級污泥沉降（ps），很少廠使用污泥厭氧消化(ad)，污泥的產(chǎn)生主要基于觀察微生物(剩余污泥)生長量(系數(shù))和進(jìn)水無機(jī)懸浮固體(iss)積累。
結(jié)果和討論
市政廢水處理 – 可持續(xù)性
表1 顯示，不到5％的中國城市污水處理廠使用污泥厭氧消化，與歐洲、美國和新加坡相比，比例非常低，說明通過污泥厭氧消化和熱電聯(lián)產(chǎn)（下稱ad-chp）途徑進(jìn)行的能量回收非常有限，盡管具有較長污水處理傳統(tǒng)的國家很久之前已經(jīng)廣泛應(yīng)用ad-chp技術(shù)。舍棄使用污泥厭氧消化不僅導(dǎo)致污泥穩(wěn)定化問題，招致二次污染衛(wèi)生問題，還大大增加了污泥量（由于沒有污泥厭氧消化過程中vss破壞, 加上調(diào)理板框脫水添加石灰）增加了污泥處理、 處置和再利用的費(fèi)用和困難。
表1 | 在中國和其他國家/地區(qū)采用污泥厭氧消化的市政污水處理廠占比（％）為了達(dá)到嚴(yán)格的營養(yǎng)物排放標(biāo)準(zhǔn)[如中國市政污水處理廠一級a排放標(biāo)準(zhǔn)，tn（總氮）<15mg-n/l，tp(總磷）< 0.5 mg-p/l，和在一些省份敏感地區(qū)實(shí)施的tn <10 mg-n/l，tp <0.3 mg-p/l], 盡管舍棄初級污泥沉降, 中國許多污水處理廠采用了外加碳源除氮(和磷)。從根本上講，這是由于進(jìn)水的低c/n比，因?yàn)閷τ诘湫偷奈鬯?，常?guī)的生物脫氮工藝可以在不添加或添加少量碳的情況下實(shí)現(xiàn)出水tn <10-15 mg-n/l?，F(xiàn)今在一些廠中，化學(xué)藥品花費(fèi)僅次于電力, 排名第二。如果實(shí)行更嚴(yán)格的營養(yǎng)物排放標(biāo)準(zhǔn)（例如tn <5 mg-n/l和tp < 0.1 mg-p/l）, 將給工廠運(yùn)營和地方當(dāng)局帶來進(jìn)一步的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，此外，考慮初級能源的使用和相應(yīng)的溫室氣體排放，過量化學(xué)物質(zhì)添加對環(huán)境也是不可持續(xù)的。對中國江蘇南部部分污水處理廠的調(diào)查表明，當(dāng)進(jìn)水水質(zhì)特性大致正常時，污水處理廠污泥產(chǎn)率接近0.48 kg/去除kg cod，而當(dāng)污水水質(zhì)特性異常，污泥產(chǎn)率接近0.69 kg/去除kg cod或甚至更高。在法國，39％的污水處理廠具有污泥厭氧消化 (表1)，其平均污泥產(chǎn)率為0.44 kg/去除kg cod。新加坡的污泥產(chǎn)率僅0.24 kg/去除kg cod，為中國的三分之一。新加坡所有市政污水處理廠采用污泥厭氧消化進(jìn)行能量回收，由此減少約35％的固體，雖然僅在個別活性污泥過程實(shí)行生物除磷。通過與法國和新加坡污水污泥產(chǎn)率相比，可以看出進(jìn)水中無機(jī)懸浮顆粒濃度以及厭氧污泥消化對污泥產(chǎn)率系數(shù)的影響，也說明中國目前的市政污水廠污泥產(chǎn)量系數(shù)確實(shí)過高。
2016年和2017年中國年度市政污水處理cod去除量和污泥產(chǎn)量以及污泥的觀測產(chǎn)率系數(shù)污水處理廠低性能原因：獨(dú)特的污水水質(zhì)特性
污水水質(zhì)特性對于活性污泥和整個廠工藝的設(shè)計至關(guān)重要。較早的一項(xiàng)對中國三個城市下水道系統(tǒng)進(jìn)行的滲漏比估算研究結(jié)果顯示，下水道系統(tǒng)滲漏導(dǎo)致了中國市政污水水質(zhì)的三個基本特征，即高無機(jī)懸浮固體濃度(iss)、低cod、低碳氮比。
盡管需有更多數(shù)據(jù)描述全國情況, 但初步調(diào)查顯示，在中國，即便在施工質(zhì)量及管理維護(hù)良好的下水道系統(tǒng)，某些地區(qū)的污水處理廠進(jìn)水vss/tss比在50％ – 70％的范圍，低于60-80％的正常范圍。文獻(xiàn)報告進(jìn)水低 cod / ss比(<1)和bod5/ss比(0.3-0.5)較低反映污水含高iss（砂質(zhì)、粉土和粘土等）, 表明國內(nèi)污水廠進(jìn)水“無機(jī)化”特性顯著。
進(jìn)水低cod導(dǎo)致活性污泥池低生物量（mlvss）濃度。進(jìn)水iss越高，混合液中的相對于去除單位cod的非揮發(fā)性固體分?jǐn)?shù)和污泥產(chǎn)量越高。這使得高效除砂在處理cod較低進(jìn)水時尤其至關(guān)重要。這里需要注意的是, 較低的進(jìn)水cod濃度并不意味著必須廢除污泥厭氧消化(參見下文), 盡管與進(jìn)水cod較高相比，能量回收的量可能會受到影響。中國城市污水處理廠的進(jìn)水c/n比在5.4-10.9之間，北京、上海和廣州污水處理廠的進(jìn)水碳氮比介于7.5（廣州）到8.8（北京）之間，平均8.0, 低于其他地方的典型范圍8到12。低c/n比率導(dǎo)致碳短缺, 尤其是面對高效生物脫氮時。此外, 鑒于潛在的高濃度惰性顆?；瘜W(xué)需氧量，與具有類似進(jìn)水的典型污水(較低比例的惰性顆粒cod)的活性污泥相比，反硝化效率和生物除磷效率可能進(jìn)一步減少。
在中國許多污水處理廠，由于進(jìn)水cod較低，為增加碳供應(yīng)，提高生物脫氮(反硝化)效率，省略了初沉池。考慮初沉池去除30–40％進(jìn)水cod，省略初沉池情況下，則生物池的池容將增加約40％，同時二沉池表面積也須顯著增加，導(dǎo)致設(shè)施體積和水力停留時間增加，增加了建設(shè)成本。而由于引入了更多可生物降解的顆粒cod, 顆粒的水解速率成為反硝化效率能否提高的決定因素。由于水解和溫度的關(guān)系，夏季反硝化效率的提高是可能的, 但是冬季則未必，所以，省略初沉池的目的并不一定是可以實(shí)現(xiàn)的。污水廠因此需要全面詳細(xì)分析污水特征，測量在不同溫度范圍下硝酸鹽還原速率等，采用具有靈活性操作策略的的設(shè)計。
另一方面，為了滿足日趨嚴(yán)格的營養(yǎng)物排放標(biāo)準(zhǔn)（例如，tn <10 mg-n/l），外加碳源被越來越普遍地實(shí)踐。以當(dāng)前市場價格粗略估計, 一個100,000 m3/d的污水處理廠為購買相當(dāng)于20 mg-hac/l醋酸（hac）, 每年花費(fèi)大約300萬元人民幣（約45萬美元）。購買碳源和化學(xué)物質(zhì)正成為工廠運(yùn)營沉重負(fù)擔(dān)。
潛在解決方案綜合污水水質(zhì)特征考慮市政污水處理廠的設(shè)計和運(yùn)行
面對中國獨(dú)特的污水水質(zhì)特征，污水處理廠設(shè)計和運(yùn)營須綜合考慮當(dāng)?shù)氐奈鬯|(zhì)特征、排放要求、地理位置、處理能力，以及能源供給、化學(xué)藥品和污泥處置成本. 污水水質(zhì)特性在污水處理廠的工藝選擇和設(shè)計中起著至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)生物工藝可能不適用于中國南部部分地區(qū)的低cod濃度進(jìn)水（例如，cod <100 mg-cod/l）處理, 而基于膜分離的工藝或sani工藝（硫酸鹽還原，自養(yǎng)反硝化和硝化）可能是適用的技術(shù)。省略初沉池利用可生物降解的顆粒cod提高反硝化效率在溫暖氣候條件下可能會實(shí)現(xiàn)，但在寒冷的地區(qū)則未必可行。能源回收應(yīng)在市政污水處理廠中得到足夠的關(guān)注。早在本世紀(jì)初，美國許多處理量超過100,000 m3/d的污水處理廠使用污泥厭氧消化就是經(jīng)濟(jì)可行的。最近幾年數(shù)據(jù)顯示，甚至處理量為20,000–40,000 m3/d的工廠使用污泥厭氧消化在經(jīng)濟(jì)上仍然有利。歐洲數(shù)據(jù)是處理量約或超過10,000 m3/d (50,000pe）廠使用污泥厭氧消化經(jīng)濟(jì)上是可行的。中國的條件與美國和歐洲有所不同，研究在當(dāng)?shù)貤l件和因素情況下市政污水處理廠應(yīng)用污泥厭氧消化經(jīng)濟(jì)可行性和必要性的迫切性是顯而易見的，包括能量回收與營養(yǎng)物去除兩者之間的平衡和成本-效益分析。
建議措施鑒于下水道修復(fù)耗時長久和當(dāng)前廣泛存在市政污水處理廠的狀態(tài)，需要找出具有成本效益的措施和解決方案并加以實(shí)施，制定整合了各方面因素的污水處理廠設(shè)計與運(yùn)行指南, 以提高污水處理廠的運(yùn)行績效。下面將談?wù)劯倪M(jìn)除砂池、污泥發(fā)酵、污泥厭氧消化和熱電回收的應(yīng)用。考慮到眾多效益和有限成本，所有污水處理廠，不管規(guī)模多大，提高砂粒去除效率都是值得去做的；而污泥發(fā)酵、污泥厭氧消化和熱電聯(lián)產(chǎn)的應(yīng)用可能適合處理能力相對較大的污水處理廠，并具有較高的進(jìn)水cod濃度。
以下是對改進(jìn)中國污水處理廠除砂行動計劃有關(guān)的建議：
- 對城市污水處理廠污水中和混合液中的揮發(fā)性固體成分進(jìn)行廣泛調(diào)查；測量和估算每種類型除砂單元的除砂性能；
- 通過提高除砂裝置的效率來減少過程中的iss積累；通過提高除砂效率使混合液中的揮發(fā)性固體成分增加約10％.將小型污水處理廠的混合液中的揮發(fā)性固體成分的目標(biāo)設(shè)置為55-60％，中大型污水處理廠(≥50,000m3/d）為60 – 65%。
污泥發(fā)酵 最大限度地利用污水中的cod應(yīng)該是解決生物脫氮工藝中碳短缺問題的首要途徑。在充分利用易生物降解的可溶性cod方面, 可以參考蘇黎世污水處理廠。在充分利用可生物降解的固體cod方面，初沉污泥發(fā)酵是一種被廣泛應(yīng)用的技術(shù)。圖1顯示了中國某地生產(chǎn)規(guī)模污水廠的初沉污泥發(fā)酵數(shù)據(jù), 平均增加40 mg-vfa/l揮發(fā)性脂肪酸(vfa)。同時，利用回流活性污泥（和在線混合液）發(fā)酵技術(shù)改善脫氮除磷效果已在丹麥、瑞典和美國等國家得到廣泛驗(yàn)證。中國已經(jīng)有初沉和回流污泥發(fā)酵的工程實(shí)例, 但缺乏長期成功運(yùn)營報告, 因此, 影響了污泥發(fā)酵技術(shù)的廣泛應(yīng)用。忽視足夠長的詳細(xì)的現(xiàn)場工程研究的必要性可能是原因之一。
圖1 | 生產(chǎn)規(guī)模初級污泥發(fā)酵中的vfa進(jìn)出，顯示平均增加40 mg-vfa/l [vfa出 -vfa入]，溫度16–18°c，nh4-n和磷的凈釋放量分別為2mg/l和1mg/l。低碳要求的營養(yǎng)物去除工藝可以考慮采用像bcfs（生物化學(xué)除磷和除氮）、sani (綜合硫酸鹽還原，自養(yǎng)反硝化和硝化)和mabr（膜曝氣生物反應(yīng)器）等可在低碳情況下去除營養(yǎng)物的工藝。bcfs和mabr已被行業(yè)規(guī)模應(yīng)用，sani處于中試規(guī)模，應(yīng)用仍然有待工程尺度驗(yàn)證。為了在中國其他地方實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，最近報告的西安第四藥廠污水處理廠部分硝化和厭氧氨氧化去除氮值得進(jìn)一步研究。
未來展望增加能量回收 對于那些具有適當(dāng)處理能力和較高進(jìn)水cod（例如 > 300 mg / l）的污水處理廠，污泥混合液揮發(fā)性固體分?jǐn)?shù)是應(yīng)用污泥厭氧消化的關(guān)鍵。相對于初始混合液揮發(fā)性固體分?jǐn)?shù)55％，揮發(fā)性固體分?jǐn)?shù)增加10％可以使沼氣產(chǎn)量增長20％。同時，顯著減少了金屬材料磨損和管道堵塞，大大消除了技術(shù)上應(yīng)用污泥厭氧消化的障礙。通過熱電聯(lián)產(chǎn)從污泥厭氧消化回收的電能可為污水處理廠節(jié)省30％的運(yùn)營所需電力。上海白龍港污水處理廠(處理量2, 000, 000 m3/d)進(jìn)水cod濃度約為250 mg/l，蘇黎世污水處理廠初沉污水cod濃度約為250 mg/l，兩個廠都使用污泥厭氧消化用于能量回收。中國大約一半的市政污水由處理量超過100, 000 m3/d的工廠處理，即使這些大型污水處理廠中只有一半應(yīng)用了污泥厭氧消化來做能量回收，其對污水處理廠運(yùn)行效率都會有很大的提高。對于較小的污水處理廠，脫水污泥可以送到大型污泥工廠或區(qū)域污泥處理中心進(jìn)行能量回收。 減少碳支出目標(biāo)是通過污泥發(fā)酵獲得凈25 mg-cod/ l。這相當(dāng)于最終出水硝態(tài)氮濃度降低了約5 mg-n/l，有助于實(shí)現(xiàn)在幾乎不外加碳源或添加少量碳的情況下實(shí)現(xiàn)出水總氮濃度少于10 mg-n / l。 減少污泥量通過增進(jìn)進(jìn)水沙礫去除，提高10%進(jìn)水vss/tss分?jǐn)?shù)，可將污泥產(chǎn)量減少約20%。結(jié)合污泥這意味著如果在約一半的污水處理廠實(shí)現(xiàn)了iss減少并應(yīng)用污泥厭氧消化，則全國范圍內(nèi)污泥產(chǎn)生量可能減少約25%。連同能量回收的增加，以及購買化學(xué)品成本的減少，落實(shí)降低iss并應(yīng)用污泥厭氧消化將在很大程度改善污水處理廠的可持續(xù)性。加強(qiáng)結(jié)果導(dǎo)向的應(yīng)用研究強(qiáng)大的研發(fā)能力對于去除市政廢水處理瓶頸并實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性目標(biāo)而言必不可少。污水廠從開始就需要制定詳細(xì)可行的研究計劃。過程效率優(yōu)化、控制、維護(hù)等只能在現(xiàn)場動態(tài)條件下進(jìn)行。污水特性，尤其是難生物降解的顆粒cod百分率、 降解速率和硝酸鹽還原速率等指標(biāo)上的測試，將有助于從技術(shù)上確定是否需要初沉池，生化揮發(fā)物脂肪酸潛力（bvfap）測試將用以評估初級和活性污泥發(fā)酵的可行性。最近幾年中國在水科學(xué)研究方面取得了很大的進(jìn)步，但一般來說，針對實(shí)際條件下的過程設(shè)計，對市政污水處理現(xiàn)實(shí)問題的研究似乎相對薄弱。現(xiàn)在正是時候進(jìn)一步加強(qiáng)可持續(xù)的市政污水處理應(yīng)用研究。
結(jié)束語自90年代以來，中國在城市衛(wèi)生工程方面取得了顯著進(jìn)步。但是，市政污水處理仍然面臨著低效率的能量回收、高營養(yǎng)物去除成本和高污泥量問題。這些難題源于獨(dú)特的污水水質(zhì)特性: 高iss、低cod和低碳氮比。曹業(yè)始博士團(tuán)隊的研究揭示了污水水質(zhì)特性和市政污水處理廠的低效率表現(xiàn)之間的因果關(guān)系。提出需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐乃|(zhì)特性進(jìn)行污水處理廠的設(shè)計和運(yùn)行。鑒于下水道修復(fù)工作耗時長久, 污水處理廠的可持續(xù)性改進(jìn)可以與下水道修復(fù)并行。為此需選擇具有成本效益的措施和解決方案，以便迅速采取行動。這項(xiàng)研究提出了高效除砂，污泥發(fā)酵和應(yīng)用低碳生物脫氮工藝，并估算了實(shí)施這些技術(shù)可能帶來的收益。同時，研究強(qiáng)調(diào)了加強(qiáng)以結(jié)果導(dǎo)向的市政污水處理應(yīng)用研究的必要性。
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